泡沫铝在航天工程中的应用展望论文
1 材料发展现状
通常金属材料中夹杂的气泡都被视为材料结构上的缺陷, 但结构中充满规则气泡的金属作为一种新型的结构材料已经得到越来越广泛的关注。具有该结构的金属被称为泡沫金属。近年来对泡沫金属的注意力主要集中在泡沫铝和铝合金的制备、性能分析及推广应用上。美国、英国等西方发达国家在这方面的投入很多, 1 9 9 6 年12 月, 美国高技术委员会和投资15 0 0 万美元将泡沫金属项目列为最大的材料项目之一, 调动哈佛、M I T、剑桥等研究机构,以结构性能设计方法为研究对象, 进行深入研究。欧共体支持德国以汽车以及高技术为对象展开对该材料的制备和应用研究。现在, 国外正在进行该种材料在高科技应用和民用方面的探索性工作。国内, 东南大学材料工程系历经十二年, 在多方支持下, 从基础制备研究入手, 发展到材料的应用研究及产业化阶段。1 9 9 9 年、2 0 0 0 年及2 0 01 年东南大学还作为中国的唯一代表应邀参加了三次国际学术会议。他们的制备工艺以及产品的质量等在国际同行业中已经处于先进行列, 美国的波音格罗曼公司对其提出了需求。
2 泡沫铝应用前景及发展动向
泡沫铝同时具有多项优异性能, 应用前景十分光明, 在汽车、舰船、航空、航天、兵器、电子、环保、交通、建材等方面都将大有作为。特别是在航天工程中, 同时具有多项优良性能的泡沫铝正是航夭工程一直追寻的理想结构材料。例如, 目前运载火箭的运载能力虽相对过去已经大大提高, 但实际运载能力还是很有限的, 因此减轻航天器的重量是航天产品设计的重要课题之一。即便是在火箭运载力足够的条件下, 如能减轻结构重量, 增加有效载荷则可以大大降低发射费用。据分析, 目前每送入轨道1 公斤有效载荷, 需发射费用上万美元。如果把泡沫铝用在航天器上, 经济效益将是显而易见的。泡沫铝在航天方面的应用是美国重点研究的方向之一。在剑桥国际会议上, 美国透露了以下一些应用取向: 支撑高精度的一般光学系统; 用于光学系统大型支架; 取代蜂窝铝以承受多向应力, 用作航天器承力筒; 空间热交换器等等。目前已经公开的应用方向主要是美国以航天、海洋、及个高技术领域为应用方向; 日本以静态、准静态地面降噪、建筑、隔热为主要应用方向; 德国以汽车、快艇等交通工具为应用对象。
3 我国航天工程中应用设想
国内, 泡沫铝的应用在其它技术领域已经开始, 并取得了较满意的结果。在航夭方面尚处在起步阶段, 由于种种原因, 目前只是进行一些探索性的讨论和研究。相比较, 美、英、日、德、法等国已经把航天作为泡沫金属的最主要应用领域, 正在大力发展。为了赶上国际发展潮流,根据国内外的研究结果和应用取向, 结合特定航天器设计中存在的问题, 这里对泡沫铝的应用可能作以下几方面的设想。
3.1 防振座椅载人飞船在发射和回收过程中, 航天员固定在座舱座椅上, 由于两过程的冲击振动较强,航天器工程1 0 卷对航天员健康十分不利。目前采取的减振措施一是座椅支架装有缓冲器, 二是座椅上有防振垫。其中支架缓冲器只对较大的冲击减振效果明显, 防振垫的作用又比较有限, 综合减振效果并不好。现在可以考虑将座椅材料换成泡沫铝, 利用该材料的超轻型、阻尼、冲击吸能特性, 再辅以减振垫, 即减轻了座椅重量, 又能够有效优化航天员所处的力学环境, 可谓一举两得。
3.2 抗冲击舱底某航天器的回收舱在返回着陆时的正常姿态是舱底着地, 为了缓冲着陆时的冲击, 舱底的结构设计成中间辅以加强筋的双层蒙皮形式, 舱底的局部图如图1 所示, 内层铝蒙皮厚度为5~, 该层既要完成回收舱密封功能, 又要用来支撑外部结构。外层蒙皮厚度也为4 一5~,中间的加强筋为径向放射状分布的析条, 析条高20 m m , 彬条与内层蒙皮采用焊接连接, 外层蒙皮与析条用螺钉连接。这一结构形式的p七I k g c/ m, 大致与水相当。该结构虽能够满足设计要求, 但结构比较复杂, 重量太大, 而且着陆中心点如果在彬条上, 会产生较大的冲击, 总体效果还不是很理想。泡沫铝材料在受冲击时有很大的冲击能量吸收值, 并且泡沫铝受冲击时的逐层塑性变形十分均匀, 因此设想将其应用在回收舱的舱底上, 以期达到更好的效果。这里设想了两种方案: 一是用泡沫铝替代现有的加强朽条, 并使彬条间距变小, 提高整体均匀性, 再减薄外蒙皮的.厚度, 重量肯定会减轻, 同时又能提高舱底的整体性能, 结构如图2。也可以结合材料特性考虑设计出网状或其它适当形式的加强结构, 连接方式考虑采用粘接; 二是两层铝蒙皮间全部用泡沫铝填充, 形成夹层结构。这样舱底的结构性能会大大提高, 内外蒙皮的厚度可以大幅减薄, 舱底重量仍然可以减轻。这种结构可以充分发挥泡沫铝材料自身的性能优势,使舱底的功能得到加强, 可靠性大大提高。
3.3 陀螺支架陀螺是航天器在轨飞行和返回时的主要姿态控制部件, 因此它的安装精度要求很高。陀螺又是一个“ 娇气” 的高精密度仪器, 对力学环境和热学环境要求严格, 目前某航天器为了满足陀螺的环境要求, 在陀螺与支架之间的安装点加装了橡胶减振器缓冲上升段和返回的较严酷的力学环境。但是安装使用弹性的橡胶减振器, 陀螺的安装精度必将受到一定的影响。比如由于地面尚做不到“0 ” 重力安装环境, 在飞行器入轨进入“0” 重力环境后, 陀螺的安装精度会有一定的漂移, 目前还无法解决这一问题。此外, 陀螺还是一个发热部件, 橡胶减振器的安装也使得陀螺工作时产生的热量很难通过支架传导出去。为了解决这一问题, 采取了多重措施, 例如增加柔性传导带, 采用风机强迫对流散热等方法。
为了解决这些矛盾, 最好的想法就是使金属陀螺支架本身具有优良的减振性能, 泡沫铝在空气相和金属骨架两相不均匀及应变强烈滞后于应力决定了其具有极佳的阻尼性能, 其阻尼值约为纯铝的5 一10 倍。并且阻尼值随应变振幅的增加迅速加大1)设想, 如果陀螺支架采用泡沫铝合金( 因为泡沫铝合金的强度较高, 比泡沫铝高接近一倍)制造, 上述间题将可能得到较好的解决。支架材料本身的性能决定其可以隔离相当一部分振动、冲击, 就可以解决振动间题, 不必安装橡胶减振器。如果材料采用通孔泡沫, 同时用风机强迫对流散热, 可以获得极佳的散热效果, 解决散热问题。现在该陀螺支架大体形状如图3, 支架采用硬铝制造, 支架上开了多处孔和槽以减轻重量。由于陀螺重量较轻, 支架的强度不是主要问题, 完全可以采用泡沫铝合金制造陀螺支架, 来解决安装精度和散热问题, 同时, 很重要的是支架的重量也得以减轻。
泡沫铝的隔振、冲击吸能也是国外研究的重要方向之一。现在国外已经用泡沫铝合金设计制作了预警飞机雷达的防振支座, 并获得了较佳的效果。这也在一定程度上说明了上述设想的合理性。泡沫铝作为阻尼减振或冲击吸能部件, 有传统结构方式不具有的优势, 它使结构件本身具有减振、阻尼的功能, 合二为一, 简化了设计, 提高了可靠性。此外, 孔隙率及孔径不同的泡沫铝合金对振动的响应会有所不同。陀螺的敏感振动频率段分布在5 0 H z 以下, 如果我们通过试验能够找出对该频段的振动过滤效果最佳的泡沫铝合航天器工程1 0 卷金制作陀螺支架, 就能得到更好的效果。
3.4 其它应用泡沫铝及铝合金用作非承力件或次承力件的情况相对较多, 主要是利用它的一些优异性能来满足一些特殊的要求。比如散热、隔热( 闭孔泡沫)、隔音、重量轻等等。航天工程应用在材料满足强度等其他性能要求的条件下, 希望材料尽可能的轻, 泡沫铝的优良综合性能恰好适应这一条件, 因此, 空间站以及一些大型航天器中的非承力件或次承力件, 如散热件、隔热件、隔板、舱门等等都有望用该材料替代现有材料。前面提及国外正在积极进行泡沫铝用作航天器主承力件方面的研究, 据悉, 现在国外已经在计算方法等方面取得了进展, 而目前国内在这方面并没有实质性的动作, 我们认为国内航天界应摆脱跟踪发展航天科技的现状, 利用国内良好的客观条件( 东南大学历经多年努力开发的泡沫铝和铝合金制备技术水平居世界同行业前列), 组织好多方力量, 积极展开泡沫铝在航天技术领域的应用研究, 争取率先取得突破。
4 泡沫铝与铝峰窝的几点比较
铝峰窝夹层板现已广泛应用于航空、航夭领域, 主要因其具有重量轻、比刚度大的优点。实际上铝蜂窝与泡沫铝在结构形式上很相似, 但在用作结构件时泡沫铝比铝蜂窝更有优势。首先泡沫铝的物理性能呈现稳定的各向同性, 铝蜂窝的径向与切向性能则相差甚远; 其次泡沫铝具有良好的机加工性能, 铝蜂窝基本无法进行机加工。相比之下明显可以看出泡沫铝适用性更广。
铝蜂窝也用作冲击吸能部件, 其压缩变形比较大, 在较大的范围内具有平稳的塌垮载荷,吸能效果较好。在这方面我们曾经做过大量的试验。铝蜂窝比较有代表性的静压试验曲线如图4 , 该曲线为正六角蜂窝试件的首次和二次静压比较图。曲线中带有尖峰的是一次静压曲线, 峰值的最高点为铝蜂窝屈服的临界点, 继续压缩, 蜂窝承载急剧下降, 降至一定值后, 位移增加, 载荷基本保持恒定, 直至铝蜂窝完全塌垮掉, 载荷才上升。二次压缩是先将试件压缩至临界点, 继续压缩使略微超过临界点, 然后卸载。重新加压进行二次压缩, 此时就不会再出现一次压缩曲线中的压力峰。这样我们就可以利用铝蜂窝作冲击吸能件了。但是大量的试验表
明同种铝蜂窝的塌垮载荷波动较大, 一致性低, 成为应用的障碍。经分析主要原因是铝蜂窝胶接层的质量不一致造成的。尽管已经采用了可以获得的最好的胶, 可在大载荷作用下胶层质量的微小差别仍然会产生比较大的影响。泡沫铝的重要应用之一也是冲击吸能, 其压缩a 一。曲线分弹性段、长的平台段和紧密段三部分, 其中很长的平台段决定了它的冲击能量吸收性能极佳2) P = 84 % 的泡沫铝, 变形50 % 的冲击能量吸收率大于2.SMJ / m。另外, 二者结构虽然类似, 但泡沫铝是一次铸造成型, 故不存在铝蜂窝的胶层质量问题。由上可以判断用泡沫铝作冲击吸能件效果应比铝蜂窝好得多。
5 总结
泡沫金属的研究虽然起步较早, 但该材料近年来才得以推广应用, 并且主要集中在泡沫铝上。在2 0 0 0 年6 月剑桥大学国际会议上, 美、英等国的许多著名教授一直认为泡沫铝的主要应用对象为“s p ac e ” 。东南大学材料学院近年在材料制备方面已经取得了重大突破, 现在可以为航天工程应用提供多种形式的泡沫铝和铝合金材料:
( 1 ) 外表带有薄层蒙皮, 中间为泡沫形式;
( 2) 内部为通孔, 外表为闭孔的形式;
( 3) 为满足特定要求, 还可以在通孔材料中添加其它材料形成复合结构。
以上的结构形式为航天和其它领域的应用提供了坚实的基础。但是作为一种新兴材料,泡沫铝结构同以往的常用金属材料和复合金属材料有很大的不同, 它在应用方面必然存在很多需要验证和解决的问题。如在材料制备方面铸造的泡沫金属毛胚尺寸大小尚存在一定的限制。不过何题的存在从某种程度上也说明该种材料还存在着巨大的发展潜力, 如果材料的基础研究和应用研究能够积极进行并相互促进, 那么泡沫金属优良的综合性能将使它替代现在大量采用的铝和铝合金成为未来航天领域应用的主要材料
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